新型耐磨耐蝕涂料制造研究

蘇述航，張愛黎，趙軍強(qiáng)，盧文杰，袁志華

(1.沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110159；2.河南北方紅陽機(jī)電有限公司，河南 南陽，473000； 3.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 110159)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人造衛(wèi)星、宇宙飛船、高速列車等承載工具的制造越來越先進(jìn)，其外層涂料同時(shí)也需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。同時(shí)，汽輪機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪、艦船的螺旋槳、水輪發(fā)電機(jī)的葉片以及船舶的甲板、建筑物的地板、路標(biāo)漆等，都會(huì)受到高速氣流、砂石和水流的沖刷、機(jī)械力的作用，材料的磨損相當(dāng)嚴(yán)重。為延長(zhǎng)使用壽命，材料表面需要涂覆耐磨涂料，在耐磨的同時(shí)，還需要有一定的耐蝕性能，以此來減少外界對(duì)材料的腐蝕，因此，耐磨耐蝕涂料的研究具有廣闊的發(fā)展前景。熊聯(lián)明等[1]用酚醛改性和聚酯改性等方法對(duì)有機(jī)硅耐磨涂料進(jìn)行了研究，獲得了耐磨性較好的耐磨涂料，制得的材料可以廣泛用于生活領(lǐng)域。鞏強(qiáng)[2]以納米Al2O3為填料，用硬脂酸對(duì)其表面進(jìn)行改性，與羥基丙烯酸樹脂復(fù)合，制備得到了具有高耐磨性和高透明性的納米涂料。林展聰?shù)萚3]以聚氨酯改性環(huán)氧樹脂為基體，通過添加耐磨填料、云母粉、耐磨骨料、助劑等，制備了適用于艦船重載甲板的抗碾壓耐磨涂料，制備出的涂料摩擦損失率小于0.5%，耐磨效果非常好，且可抵御180天的海水浸泡并具有強(qiáng)抗沖擊能力，可廣泛用在艦船重載甲板上。李林杰[4]采用改性后的環(huán)氧樹脂，解決了金屬基材所面臨的周圍環(huán)境中腐蝕性離子的腐蝕問題，并對(duì)涂料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了紅外分析及電化學(xué)阻抗譜和耐磨性分析，制得符合要求的耐磨涂料。劉嘉懿[5]以有機(jī)硅為涂料的主要成分，通過控制各種不同的反應(yīng)條件，探究其對(duì)最終形成的涂層材料性質(zhì)的影響，制得效果良好的耐磨耐蝕涂料。趙春英等[6]以納米Fe2O3為顏料，配合其他顏填料制備得到納米復(fù)合鐵紅醇酸底漆，性能測(cè)試顯示出該涂料具有良好的抗離子滲透和擴(kuò)散性能及良好的力學(xué)性能。李博等[7]以丙烯酸樹脂為基體，復(fù)合HDI三聚體固化組分、耐磨骨料、填料、稀釋劑、助劑等組分，制備了水泥混凝土路面防滑耐磨涂料。宋振偉等[8]結(jié)合當(dāng)前耐磨防腐涂料的發(fā)展情況，對(duì)海上石油平臺(tái)耐磨涂料進(jìn)行了研究，指出我國(guó)海上平臺(tái)耐磨防腐涂料研制的重點(diǎn)發(fā)展方向。曹紅亮[9]研究了納米Al2O3在水中的分散，選擇陰離子聚電解質(zhì)聚丙烯酸氨和陽離子表面活性劑作為分散劑，用原位聚合法制備出耐磨透明納米有機(jī)硅涂料，用環(huán)氧樹脂改性后獲得了綜合性能較好的涂料。羅超云等[10]以環(huán)氧樹脂TGDDM和兩種固化劑為基體，添加聚四氟乙烯、石墨和碳纖維作為固體潤(rùn)滑劑，制備了一種性能優(yōu)良的環(huán)氧基耐熱耐磨自潤(rùn)滑涂料。

環(huán)氧樹脂E-44是一種性價(jià)比較高且具有良好粘接性、耐腐蝕性和良好耐磨性的樹脂，在涂料的研究和使用中應(yīng)用較為廣泛。Al2O3和SiO2具有良好的耐磨性能，F(xiàn)e2O3具有良好的耐腐蝕性能，均為涂料中常用的顏填料。本文以環(huán)氧樹脂E-44為基體，加入Al2O3和SiO2等顏填料復(fù)配，制備耐磨耐蝕涂料，探究各種因素對(duì)其性能的影響，重點(diǎn)對(duì)耐磨耐蝕兩個(gè)重要性能同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)主要原料

環(huán)氧樹脂E-44(固含量50%)、固化劑、SiO2，天津標(biāo)準(zhǔn)科技有限公司(分析純)；Al2O3，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(分析純)；石墨、Fe2O3、MoS2，天津大茂化學(xué)試劑廠(分析純)。

1.2 基礎(chǔ)配方及制備工藝

1.2.1 涂料的基礎(chǔ)配方

E-44樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.0%，F(xiàn)e2O3、SiO2、Al2O3、MoS2和石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為14.3%，固化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.5%，適量的混合溶劑?；旌先軇┲懈鹘M分質(zhì)量比為：二甲苯∶正丁醇∶無水乙醇∶乙酸乙酯=5∶1∶1∶3，混合溶劑用于分散樹脂及涂料，合適用量以制得的涂料具有適合刷涂的黏度(0.1～0.3Pa·s)為宜。

1.2.2 涂料及涂膜的制備工藝

按配方用量準(zhǔn)確稱取SiO2、Fe2O3、MoS2、石墨和Al2O3(基礎(chǔ)配方)。放入研缽中研磨1h左右。再準(zhǔn)確稱取樹脂溶液，加入混合溶劑，倒入顏填料緩慢調(diào)黏，再加入固化劑并調(diào)整到合適黏度。加到磁子攪拌器中攪拌1h以上，使溶液充分混合。

待混合溶液靜置老化后，將涂料輕倒在試片上，并用10μm線棒輥涂，等待漆膜實(shí)干。若需要二道涂裝，則需等第一道漆膜徹底實(shí)干之后，再將涂料輕倒在試片上并用10μm線棒輥涂。

1.3 漆膜性能檢測(cè)

依據(jù)GB/T 1728-2020檢測(cè)漆膜干燥性能，將試片置于101-2型鼓風(fēng)干燥箱(沈陽興路達(dá)檢測(cè)儀器有限公司)中，每隔1h觀察試片是否表干、實(shí)干，并進(jìn)行記錄；依據(jù)GB/T 9286-1998檢測(cè)漆膜附著力，用刀片將試片劃為100個(gè)小格，用透明膠帶黏貼，撕掉膠帶觀察漆膜完好性；依據(jù)GB/T1771-2007檢測(cè)漆膜的耐中性鹽霧性能，采用YJD-90-PP型鹽霧箱(重慶英檢達(dá)儀器有限公司)，向壓力桶和鹽水室內(nèi)加水，直至水位報(bào)警燈不閃爍，然后接通電源并設(shè)定噴霧時(shí)間和停霧時(shí)間，設(shè)定水溫，每隔2h觀察一次試片腐蝕程度；依據(jù)GB1763-1979進(jìn)行涂料耐酸堿性的測(cè)定，將試片依次放在酸堿檢測(cè)盒中，左側(cè)加入稀鹽酸，右側(cè)加入NaOH溶液，每隔1h觀察一次，觀察漆膜是否有破裂及損壞，記錄加入溶液到漆膜損壞的時(shí)間；依據(jù)JG/T3049-1998對(duì)漆膜進(jìn)行耐磨性的測(cè)定，采用QFM涂層打磨性試驗(yàn)機(jī)(滄州筑龍工程儀器有限公司)，將試片水平固定在機(jī)器上，接通電源設(shè)定打磨次數(shù)，觀察漆膜現(xiàn)象并做出評(píng)價(jià)；依據(jù)GB/T9266-1988進(jìn)行漆膜耐洗刷性的測(cè)定，采用QFS型涂料耐洗刷測(cè)定儀(沈陽中研試驗(yàn)儀器有限公司)，將試片放在工作盤上，加入皂液，設(shè)置洗刷次數(shù)進(jìn)行洗刷，紀(jì)錄洗刷次數(shù)并進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 顏基比對(duì)漆膜性能的影響

采用基礎(chǔ)配方制得的涂料耐酸性為61h，耐堿性為69h。以基礎(chǔ)配方為依據(jù)，保持其他組成不變，改變顏基比，探究不同的顏基比對(duì)漆膜性能的影響。涂料性能檢測(cè)結(jié)果見表1所示。

從表1可以看出，隨著顏基比的增加，漆膜的耐酸耐堿性能先增強(qiáng)后減弱。當(dāng)顏基比為2.75時(shí)涂料的耐酸耐堿性能達(dá)到最佳，此時(shí)耐酸性為64h，耐堿性為78h。因?yàn)轭伝容^小時(shí)樹脂的量相對(duì)較多，顏料發(fā)揮不出最佳性能；顏基比較大時(shí)顏料的量相對(duì)較多，溶液中出現(xiàn)大的顆粒。當(dāng)顏基比為2.75時(shí)顏填料在樹脂溶液中分散效果最好，涂層性能最佳。

表1 顏基比對(duì)涂料性能的影響

2.2 涂裝道數(shù)對(duì)漆膜性能的影響

涂料配方中顏基比取為2.75，保持其他組成不變，僅改變涂裝道數(shù)，研究涂裝道數(shù)對(duì)涂料性能的影響，結(jié)果見表2所示。

表2 涂裝道數(shù)對(duì)漆膜性能的影響

從表2可以看出，當(dāng)涂裝道數(shù)為1道時(shí)，由于漆膜太薄，導(dǎo)致耐酸耐堿性能一般；當(dāng)涂裝道數(shù)為2道時(shí)，耐酸耐堿性均較好；當(dāng)涂裝道數(shù)為3道時(shí)，雖然漆膜較厚，但是耐酸性僅略低于2道涂裝，耐堿性僅略高于2道涂裝，效果不明顯，故2道涂裝為宜。

2.3 Fe2O3用量對(duì)漆膜性能的影響

涂料配方中顏基比取為2.75，涂裝道數(shù)為2道，保持其他組成不變，僅改變Fe2O3用量，研究Fe2O3用量對(duì)漆膜性能的影響，結(jié)果見表3所示。

表3 Fe2O3用量對(duì)漆膜性能的影響

從表3中可以看出，隨著Fe2O3用量的增加，涂料的耐蝕性先增大后減小，當(dāng)Fe2O3用量為13.3%時(shí)，耐酸性為88h，耐堿性為92h，此時(shí)耐酸堿效果最佳。Fe2O3在涂料中主要起到耐腐蝕作用，但當(dāng)Fe2O3過量時(shí)，因與其他涂料難以充分混合，F(xiàn)e2O3無法充分發(fā)揮出耐腐蝕性，導(dǎo)致耐酸堿性能下降。

2.4 石墨和MoS2的配比對(duì)漆膜性能的影響

涂料配方中顏基比取為2.75，涂裝道數(shù)為2道，F(xiàn)e2O3用量為13.3%，保持其他組成不變，僅改變石墨和MoS2的質(zhì)量配比，研究該配比對(duì)涂料性能的影響，結(jié)果見表4所示。

表4 石墨和MoS2的配比對(duì)漆膜性能的影響

從表4可以看出，隨著石墨和MoS2的配比增大，石墨用量增大，石墨的片層結(jié)構(gòu)在涂料中平行排列，造成曲折通道，使腐蝕性介質(zhì)不易到達(dá)基底引起腐蝕；當(dāng)石墨過量時(shí)，涂料開始產(chǎn)生一定的顆粒感，且膜厚也開始下降，導(dǎo)致二者無法均勻混合，故隨著石墨和MoS2的配比增大，涂料的耐酸耐堿性先增強(qiáng)而后又減弱，當(dāng)二者配比為1.5時(shí)耐蝕效果最佳。

為探究石墨和MoS2協(xié)同減磨效果，對(duì)不同石墨和MoS2配比制得的涂料進(jìn)行耐磨實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 磨損失重率與石墨/MoS2質(zhì)量比的關(guān)系

由圖1可知，隨著石墨和二硫化鉬的質(zhì)量比增大，磨損失重率先減小后增大，當(dāng)質(zhì)量比為1.5時(shí)，磨損失重最小，即涂料的抗磨效果最佳。

2.5 SiO2和Al2O3的配比對(duì)漆膜性能的影響

采用前面得到的最佳配方，僅改變SiO2和Al2O3的質(zhì)量配比，研究其對(duì)漆膜性能的影響，結(jié)果見表5所示。

表5 SiO2和Al2O3的配比對(duì)漆膜性能的影響

由表5可見，當(dāng)SiO2/Al2O3配比為1∶1時(shí)，涂料的耐酸耐堿性能最佳。

2.6 優(yōu)化配方下涂料綜合性能檢測(cè)

根據(jù)單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到涂料的優(yōu)化配方為：顏基比2.75、環(huán)氧樹脂E-44用量17.8%、 Fe2O3用量13.3%、石墨和MoS2的質(zhì)量配比為1.5∶1、SiO2和Al2O3的質(zhì)量配比為1∶1、溶劑適量。

按照優(yōu)化配方制備涂料，并按照國(guó)標(biāo)對(duì)其進(jìn)行耐酸性、耐堿性、耐鹽水、耐鹽霧以及耐磨性能和耐洗刷性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表6所示。

表6 優(yōu)化配方下涂料綜合性能檢測(cè)

由表6可以看出，涂料耐酸性達(dá)到107h，耐堿性達(dá)到130h，耐鹽水性達(dá)到154h，耐鹽霧時(shí)間達(dá)到68h，耐磨性的測(cè)試砂紙上打磨面積為65%，耐洗刷超過1000次，均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化后的涂料性能合格。

3 結(jié)論

以Fe2O3、Al2O3、SiO2、MoS2、石墨和E-44樹脂為原料，制備了新型的耐磨耐蝕涂料，以耐酸耐堿性為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定了優(yōu)化配方。根據(jù)優(yōu)化配方制備涂料，并按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合性能檢測(cè)，漆膜耐酸性達(dá)到107h，耐堿性達(dá)到130h，耐鹽水性達(dá)到154h，耐鹽霧時(shí)間達(dá)到68h，耐磨性和耐洗刷性也達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且當(dāng)石墨和MoS2的質(zhì)量配比為1.5∶1時(shí)，耐磨效果最佳，涂料的性能得到顯著提高，漆膜的施工性、外觀、附著力、耐酸性、耐堿性、耐鹽水性、耐磨性等綜合性能滿足使用要求。